基于实体模型的塑料注射模CAE系统

作者：华中科技大学华塑软件研究室

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 在市场经济条件下，产品的质量与成本已成为企业生存发展的生命线。实践证明，注射成型CAE技术对加快新产品开发、提高产品质量、降低成本起着关键作用，是支持企业确立竞争优势的强有力的手段。 塑料注射模计算机辅助技术应用现状 随着塑料工业的飞速发展，塑料注射模传统的手工设计与制造已无法适应当前的形势。20年来的实践表明，缩短模具设计与制造周期、提高塑料制造精度与性能的正确途径之一是采用CAD/CAE/CAM技术。80年代以来，注射模CAD/CAM技术已从实验室研究阶段进入了实用化阶段，并在生产中取得了明显的经济效益。注射模CAD/CAM技术的发展和推广被公认为CAD技术在机械工业中应用的一个典范，各种应用软件百花齐放，正在向网络化、微机化、智能化、集成化、三维化发展。 与注射模CAD/CAM技术蓬勃发展相比，CAE技术的推广应用则明显滞后，但是注射成型CAE软件全面提升模具设计水准的显著效果正逐渐为模具界所认识。目前的流动模拟CAE软件都是采用基于“中性层”模型（Middle-Plane）的有限元/有限差分/控制体积法来分析，所谓中性层是假想的位于模具型腔和型芯中间的层面。基于这种型腔模型的CAE软件在应用中具有很大的局限性，主要表现在：（1）CAE软件的使用人员必须理解中性层的概念，用户直接由产品模型构造中性层感到困难；（2）独立开发的CAE系统造型功能往往很差，依据模腔的CAD模型自动生成中性层模型又十分困难，这极大地妨碍了CAE软件的推广和普及；（3）由于CAD、CAE软件的模型不统一，二次建模不可避免。设计效率因此大打折扣，CAD、CAE的集成也不可能实现。考虑到上述的不足，华中科技大学模具技术国家重点实验室成功开发了三维真实感流动模拟软件HSCAE 3DRF，采用型腔的实体模型取代中性层模型，这一创新使得由现行的模具设计CAD系统产生的型腔模型可以直接应用于CAE软件，突破了原有软件的建模瓶颈。该软件具有如下的显著特点：（1）可以接受从任何CAD软件（如Pro/E、UG、AutoCAD等）输出的实体造型，无需任何修改；（2）屏蔽了工程师公认的难题：有限元网格划分；（3）支持OpenGL，图形显示直观、高效；（4）准确预测熔体的压力场、温度场、溶合纹、气穴等，对产品及模具设计进行全方位的评估并提供解决方案；（5）操作界面十分简便、友好，无需培训。 注射模流动模拟软件的指导作用 注射模流动模拟软件的指导意义十分广泛，她是一种设计工具，能够辅助模具设计者优化模具结构与工艺，指导产品设计者从工艺的角度改进产品形状，选择最佳成型性能的塑料，帮助模具制造者选择合适的注射机，当变更塑料品种时对现有模具的可行性做出判断，分析现有模具设计弊病。同时，流动软件又是一种教学软件工具，能够帮助模具工作者熟悉熔体在型腔内的流动行为，把握熔体流动的基本原则。 熔体流动前沿动态显示 三维流动模拟软件能显示熔体从进料口逐渐充满型腔的动态过程，由此可判断熔体的流动是否较理想的单项流形式（简单流动）（复杂流动成型不稳定，容易出现次品）。各个流动分支是否在同时充满型腔的各个角落（流动是否平衡）。若熔体的填充过程不理想，可以改变进料口的尺寸，数量和位置，反复运行流动模拟软件，一直到获得理想的流动形式为止。若仅仅是为了获得较好的流动形式而暂不考察详尽的温度场，应力场的变化，或是初调流道系统，最好是运行简易三维流动分析（等温流动分析），经过几次修改，得到较为满意的流道设计后，再运行非等温三维流动分析。 型腔压力 在填充过程中最大的型腔压力值能帮助判断在指定的注射机上熔体能否顺利充满型腔（是否短射），何处最可能产生飞边，在各个流动方向上单位长度的压力差（又称压力梯度）是否接近相等（因为最有效的流动形式是沿着每个流动分支熔体的压力梯度相等），是否存在局部过压（容易引起翘曲）。流动模拟软件还能给出在熔体填充模具所需的最大锁模力，以便用户选择注射机。 熔体温度 流动模拟软件提供型腔内熔体在填充过程中的温度场。可鉴别在填充过程中熔体是否存在着因剪贴发热而形成的局部热点（易产生表面黑点、条纹等并引起机械性能下降），判断熔体的温度分布是否均匀（温差太大是引起翘曲的主要原因），判断熔体的平均温度是否太低（引起注射压力增大）。熔体接合点的温度还可帮助判断熔合纹的相对强度。 剪切速率 剪贴速率又称应变速率或者速度梯度。该值对熔体的流动过程影响甚大。实验表明，熔体在剪贴速率为103S-1左右成型，制品的质量最佳。流道处熔体剪贴速率的推荐值约为5*102~5*103S-1，浇口处熔体剪贴速率的推荐值约为104~105S-1 。流动软件能给出不同填充时刻型腔各处的熔体剪切速率，这就有助于用户判断在该设计方案下预测的剪切速率是否与推荐值接近，而且还能判断熔体的最大剪切速率是否超过该材料所允许的极限值。剪切速率过大将使熔体过热，导致聚合物降解或产生熔体破裂等弊病。剪切速率分布不均匀会使熔体各处分子产生不同程度的取向，因而收缩不同，导致制品翘曲。通过调整注射时间可以改变剪切速率。 剪切应力 剪切应力也是影响制品质量的一个重要因素，制品的残余应力值与熔体的剪切应力值有一定的对应关系，一般，剪切应力值大，残余应力值也大。因此总希望熔体的剪切应力值不要过大，以避免制品翘曲或开裂。根据经验，熔体在填充型腔时所承受的剪切应力不应超过该材料抗拉强度的1%。 熔合纹/气穴 两个流动前沿相遇时形成熔合纹，因而，在多浇口方案中熔合纹不可避免，在单浇口时，由于制品的几何形状以及熔体的流动情况，也会形成熔合纹。熔合纹不仅影响外观，而且为应力集中区，材料结构性能也受到削弱。改变流动条件（如浇口的数目与位置等）可以控制熔合纹的位置，使其处于制品低感光区和应力不敏感区（非“关键”部位）。而气穴为熔体流动推动空气最后聚集的部位，如果该部位排气不畅，就会引起局部过热、气泡、甚至充填不足等缺陷，此时就应该加设排气装置。流动模拟软件可以为用户准确地预测熔合纹和气穴的位置。 多浇口的平衡 当采用多浇口时，来自不同浇口的熔体相互汇合，可能造成流动的停滞和转向（潜流效应），这时各浇口的充填不平衡，影响制品的表面质量及结构的完整性，也得不到理想的简单流动。这种情况应调整浇口的位置。 流动模拟软件在优化设计方案更显优势。通过对不同方案的模拟结果的比较，可以辅助设计人员选择较优的方案，获得最佳的成型质量。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/18/2005)